CN107107488A - 混合片材成型化合物材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种混合片材成型化合物材料，该片材成型化合物材料包含至少一种含有多根增强纤维丝线(12)和与所述增强纤维(12)共混的多根碳纤维(14)的混合组装粗纱。所述混合片材成型化合物材料进一步包含聚合物树脂材料。

Description

混合片材成型化合物材料
本申请要求2014年10月8日提交的美国临时申请62/061,323名称为“用于改进复合材料的性能和产率的混合组装物”的优先权和所有权益，其全部内容通过引用全部并入本文。
背景技术
纤维增强复合材料是由基体材料和纤维组成的复合材料，其功能是机械增强基体材料的强度和弹性。纤维增强复合材料具有高的刚度、强度和韧性，通常与结构金属合金相当。此外，纤维增强复合材料通常以比金属轻得多的重量来提供这些性能，因为它们的单位重量的“特定”强度和模量接近于钢或铝的五倍。因此，由纤维增强复合材料形成的装置的整体结构可以更轻。对于诸如飞机或航天器部件的重量关键装置，这些重量节省可能是一个显著的优势。
片材成型化合物(sheet molding compound)(“SMC”)是一种片状形式的纤维增强热固性化合物。由于其高强度重量比，被广泛用作建筑材料。其强度、刚度和其他性能使其适用于水平和垂直面板，例如汽车。在SMC的制备工艺中，将一层聚合物膜，如聚酯树脂或乙烯基酯树脂预混物，计量到一层包括非粘附性表面的塑料载体片材上。然后将增强纤维沉积到聚合物膜上，并将含有第二层的聚合物膜的第二非粘附性载体片材定位在第一片材上，使得第二聚合物膜与增强纤维接触并形成夹层材料。然后将该夹层材料继续压实，以将聚合物树脂基体和纤维束分布在整个所得的SMC材料中，然后可以将其轧制以备后续在成型工艺中使用。
在SMC化合物的制备中，理想情况是增强材料均匀分散并在聚合物基体材料内混合。这种均匀混合的一种方式被称为润湿，其是增强材料被基体树脂材料包封的程度的量度。理想情况是使增强材料完全润湿不含干纤维。在这个初始工艺中的不完全的润湿能够对后续加工以及最终的复合材料的表面特性产生不利影响。例如，差的润湿可能会导致SMC的差的成型特性，导致最终成型部件中的表面缺陷和低的复合强度。SMC制造工艺的生产能力，例如线速和生产率，受限于粗纱短切束能够被完全润湿的程度以及速度。
复合材料产品也可以使用例如长纤维-增强热塑性(“LFT”)复合材料的热塑性树脂形成。LFT复合材料是具有长(大约4.5mm或更长)的短切纤维增强片的热塑性材料。LFT和常规短切短纤维增强化合物的区别在于纤维的长度。在LFT中，纤维的长度与颗粒(pellet)的长度相同。在LFT的制造中，将连续的纤维粗纱丝线从其被热塑性树脂涂布和浸渍的模具中拉出。然后将该连续的增强塑料棒切碎或造粒至通常为10mm至12mm的长度。
玻璃纤维和碳纤维是纤维增强材料的常见实例。玻璃纤维提供尺寸稳定性，由于其不会对于变化的环境条件而收缩或拉伸，玻璃纤维还提供与金属类似的尺寸度量用于部分合并。此外，玻璃纤维具有高拉伸强度、耐热性、耐腐蚀性和用于抗冲击性以及紧固或接合的高韧性。典型地，玻璃纤维通过从套管(bushing)或其它孔口的收集而使熔融玻璃材料流衰减而形成。含有成膜聚合物、偶联剂和润滑剂的水性施胶组合物(aqueous sizingcomposition)通常在从套管中拉出之后被施加到纤维上，以保护纤维在后续的工艺中不被破坏，并提高纤维与待增强的基体树脂的相容性。在施加水性施胶组合物之后，施胶纤维(sized fiber)聚集成丝线并缠绕以生产玻璃纤维包。然后加热玻璃纤维包以除去水分并沉积作为残余的浆料(size)，轻轻地涂布于玻璃纤维的表面。多个干燥玻璃纤维包可以被固结并缠绕到被称为多端粗纱包的卷轴上。所述粗纱包由具有多束玻璃纤维的玻璃丝线组成。
碳纤维是具有理想机械性能的轻质纤维，这使得它们可用于与多种基体树脂形成复合材料。一方面，碳纤维显示出高拉伸强度和高弹性模量。另一方面，碳纤维表现出高导电性、高耐热性和化学稳定性。这种性能的组合，以及低密度的碳纤维已然导致碳纤维作为复合材料中的增强元件的使用的增加，广泛用于在诸如航空航天、运输、电磁干扰(EMI)屏蔽应用、运动用品、电池应用、热管理应用(thermal management applications)以及许多其他应用。
然而，碳纤维比玻璃纤维更难加工并且更昂贵。碳纤维易碎并且易缠结、耐磨性差，因此在加工工艺中容易产生毛刺或断线。另外，至少部分由于其疏水性，在传统的树脂基质中，碳纤维不如其他增强纤维(例如玻璃纤维)容易润湿。润湿是指纤维具有适当的表面润湿张力以及均匀分散在整个基体中的能力。为了使用包含碳纤维的复合材料，碳纤维和基体树脂之间优异的润湿性和粘附性很重要。
玻璃和碳纤维各自赋予纤维增强复合材料理想性能。因此，人们已经尝试将玻璃和碳纤维在树脂中共混，以利用它们各自提供给基体树脂的韧性、强度和模量的性质。然而，在尝试这种混合复合材料时，对于具有成本效益的复合材料的理想情况以快速固化和固结工艺处理碳丝线，人们已然遇到了相当大的困难。
发明内容
根据本发明的各方面，提供了一种混合片材成型化合物材料和形成混合片材成型化合物材料的方法。所述混合片材成型化合物材料包含至少一种含有多根增强纤维丝线和与所述增强纤维共混的多根碳纤维的混合组装粗纱。所述碳纤维用增容剂进行涂布。所述混合片材成型化合物材料进一步包含聚合物树脂材料。
在各种示例性实施方式中，所述增强纤维由玻璃纤维组成。
在各种示例性实施方式中，所述增容剂包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、丙烯酰基硅烷、烷基硅烷、甲基硅烷、氨基硅烷和环氧硅烷中的至少一种。
在各种示例性实施方式中，所述聚合物树脂基体的配方包括聚酯树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯乙烯和共聚单体中的至少一种。
在各种示例性实施方式中，所述混合片材成型化合物材料具有的弹性模量为5GPa至40GPa，层间剪切强度为50MPa至300MPa，密度为0.5g/cc至3.0g/cc。
在各种示例性实施方式中，所述碳纤维用包括环氧树脂、乙烯基酯和聚氨酯(urethane)成膜剂中的至少一种的施胶组合物进行施胶。
根据本发明的各个方面，公开了一种含有按重量计10％至80％的短切混合纤维的混合片材成型复合材料。
附图说明
从以下提供的和如附图所示的一些实施例的更具体的描述中，本发明的示例性实施方式将是清楚的。
图1示出了从前体(precursor)开始的碳纤维形成线。
图2示出了示例性的混合组装粗纱形成工艺。
图3示出了在张力下拉伸碳纤维以将碳纤维铺展成碳纤维束的初始铺展场所。
图4(a)和(b)示出了用于铺展碳纤维束的开槽辊。
图5示出了另一示例性混合组装粗纱形成工艺。
图6(a)-(c)示出了改变碳束和玻璃纤维的布置的示例性混合组装粗纱结构。
图7示出了用于切碎增强纤维的示例性的脊状辊。
图8示出了用于将至少两种类型的增强纤维结合到聚合物树脂膜上的示例性工艺。
图9示出了混合SMC复合材料中各种类型的碳和玻璃纤维分散体。
图10用图表示出了相对于纤维的比模量的各种类型纤维的比强度。
图11用图表示出了三种SMC材料的应力-应变曲线，一种仅包括玻璃纤维增强物，一种仅包括碳纤维增强物，以及另一种包括具有50：50的玻璃-碳比的混合组装粗纱增强物。
图12用图表示例性地示出了与玻璃和碳增强的SMC材料相比，典型的混合SMC材料的拉伸强度与短切纤维束宽度的函数。
具体实施方式
由于本发明的总体发明构思可以具有许多不同形式的实施方式，在附图中示出并且将在本文中详细描述具体实施方式，其理解是将本发明视为示例性的一般发明概念。因此，本发明总的发明构思并不旨在限于本文所示的具体实施方式。
除非另有定义，本文使用的术语具有与围绕总体发明构思的本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。本文使用的术语仅用于描述总体发明构思的示例性实施方式，并不旨在限制总体发明构思。如在一般发明概念和所附权利要求的描述中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。
本发明涉及一种用于加工应用的混合增强材料，例如，1)增强复合材料的形成(例如，用于压缩成型工艺的片材成型化合物(“SMC”))，2)长纤维热塑性注塑成型，3)拉挤成型工艺，4)预浸料坯的形成等。由上述加工应用形成的所述混合增强复合材料包括：(i)共混的玻璃和碳增强材料以及(ii)热固性或热塑性树脂组合物。
所述增强材料可以包括适用于为所得复合材料提供优良结构性质以及其他热力学性能的任何类型的纤维。所述增强纤维可以是任意一种有机的、无机的或天然的纤维。在一些示例性的实施方式中，所述增强纤维由玻璃、碳、聚酯、聚烯烃、尼龙、芳族聚酰胺(aramids)、聚(苯硫醚)、碳化硅(SiC)和氮化硼等中的任意一种或多种制成。在一些示例性的实施方式中，所述增强纤维包括玻璃、碳和芳族聚酰胺中的一种或多种。在一些示例性的实施方式中，所述增强材料含有玻璃和碳纤维的混合物。
所述玻璃纤维可以由适用于特定应用和/或理想产品规格的任何类型的玻璃形成，包括传统玻璃。玻璃纤维的非特例例子包括A型玻璃纤维、C型玻璃纤维、G型玻璃纤维、E型玻璃纤维、S型玻璃纤维、E-CR型玻璃纤维(例如，可商购于Owens Corning的玻璃纤维)，R型玻璃纤维、羊毛玻璃纤维、生物可溶玻璃纤维，以及上述玻璃纤维的组合，其可用作增强纤维。在一些示例性的实施方式中，用于混合增强材料的所述玻璃纤维输入物是一种在常规离线粗纱工艺下组装的多端玻璃粗纱材料。
碳纤维通常是疏水的导电纤维，具有高刚度、高拉伸强度、耐高温性和低热膨胀性，并且通常重量轻，使其在形成增强复合材料方面很普及。然而，碳纤维比其他类型的增强材料如玻璃更昂贵。例如，碳纤维的成本可能高达20美元/公斤，而玻璃纤维的成本可能低至约1美元/公斤。另外，碳纤维在下游应用中更难加工，导致产品制造降低。这至少部分是由于碳纤维的疏水性，在传统的基质中，碳纤维不如玻璃纤维容易润湿。润湿是指纤维具有适当的表面润湿张力以及均匀分散在整个基体中的能力。相比之下，通常是亲水纤维的玻璃纤维更易于加工并且会在基体中均匀地润湿。
根据所使用的前体，碳纤维可以是乱层(turbostratic)或石墨化的，或者具有同时存在乱层和石墨化部分的混合结构。在乱层碳纤维中，碳原子层随意地折叠、或扭曲在一起。衍生自聚丙烯腈(PAN)的石墨碳纤维是乱层的，而衍生自中间相沥青的碳纤维在超过2200℃加热后是石墨化的。在一些示例性的实施方式中，所述碳纤维衍生自PAN。图1示出了从PAN前体形成碳粗纱的示例性工艺。
增强纤维可以在纤维形成工艺中或紧随着纤维形成工艺之后用施胶组合物涂布。在一些示例性的实施方式中，所述施胶组合物是水基组合物，例如悬浮液或乳液。所述悬浮液或乳液具有含有成膜剂、偶联剂、润滑剂和表面活性剂中的一种或多种的固体含量。所述成膜剂将单独的细丝保持在一起以助于纤维的形成并保护所述细丝免受摩损造成的损坏。可接受的成膜剂包括，例如聚乙酸乙烯酯、聚氨酯、改性聚烯烃、聚酯、环氧化物及上述物质的混合物。
所述施胶组合物可以进一步包括至少一种偶联剂，例如硅烷偶联剂。硅烷偶联剂的作用是增强成膜聚合物与纤维的粘合性，并在后续的加工工艺中降低产生毛刺或断线的纤维细丝的水平。可以用于本发明中的施胶组合物的硅烷偶联剂的实例可以通过官能团氨基、环氧基、乙烯基、甲基丙烯酰氧基、叠氮基、脲基和异氰酸酯基来表征。所述偶联剂可以以约0.05％至约0.20％的活性固体量存在于所述施胶组合物中，更优选以约0.08％至约0.15％的活性固体量存在。
所述施胶组合物还可以含有至少一种润滑剂。任何常规的润滑剂可以并入所述施胶组合物。适用于施胶组合物的润滑剂非特例例子包括，但是不限于，部分酰胺化的长链聚亚烷基亚胺、乙二醇油酸酯、乙氧基化脂肪胺、甘油、乳化矿物油、有机聚硅氧烷乳液、硬脂醇乙醇酰胺(stearic ethanolamide)和水溶性乙二醇硬脂酸酯如聚乙二醇单硬脂酸酯、硬脂酸丁氧基乙酯和聚乙二醇甘油酸酯。所述润滑剂可以以约0.025％至0.010％的活性固体量存在。
此外，所述施胶组合物还可以选择性地包括pH调节剂，例如乙酸、柠檬酸、硫酸或磷酸以调节所述组合物的pH水平。所述pH可以根据预期的应用或促进所述施胶组合物的组分相容性来加以调节。在一些实施例中，所述施胶组合物具有3.0-7.0的pH值，或者3.5-4.5的pH值。
所述施胶组合物可以根据预期的应用含有额外的添加剂。
在一些示例性的实施方式中，在混合组装粗纱的形成中，可以共混两种或更多类型的增强纤维。混合组装粗纱是一种含有至少两种类型的增强纤维多端纤维粗纱。例如，所述混合组装粗纱可以含有玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维和高模量有机纤维中的两种或更多种。在一些示例性的实施方式中，所述混合组装粗纱含有玻璃和碳纤维的混合物。尽管所述混合增强纤维将在本文中描述为玻璃和碳纤维的混合物，但是应当理解的是，这仅是一个示例性的实施方式，并且所述混合组装粗纱可以包括上述增强纤维的任意组合。
混合组装粗纱的形成可以以多种方式进行。例如，图2示出了一种形成工艺，其中玻璃丝线12和碳丝线14分别拉伸，以及所述玻璃丝线被拉至碳加工线中，使玻璃丝线和碳丝线15在卷入共混的丝线17形成一个单独的混合组装粗纱包28之前共混。在一些示例性的实施方式中，所述玻璃丝线在干燥步骤之前并入所述碳纤维加工线，在一些其他的示例性实施方式中，所述玻璃丝线在后涂布施加步骤24之前并入所述碳纤维加工线。
在粗纱加工中的玻璃纤维和碳纤维的共混中的一个困难由碳纤维的团聚趋势造成，这引起纤维在切碎时聚集成块。这种团聚和聚集使得碳纤维难以分散在基体树脂材料中。玻璃纤维是直径约为0.3mm至约为1.2mm的细的棒状纤维束。为了使玻璃丝线和碳丝线有效共混，所述碳纤维丝线的尺寸和形状应该与所述玻璃纤维丝线相似。因此，在一些示例性的实施方式中，在混合玻璃纤维丝线12和碳纤维丝线14之前，将碳纤维丝线14铺展以分离单独的碳细丝，并产生约50tex至800tex(tex＝克/1000m的丝束)的多个细束，或者从50tex至400tex，各自具有的宽度在约0.5mm至约4.0mm之间，或约0.5mm至2.0mm之间。所述细束可以具有约0.05至约0.5mm的厚度，或从约0.1mm至约0.3mm的厚度。图3示出了其中碳纤维在2-4倍的张力下拉伸以将碳纤维铺展成细束22的初始铺展场所25，如图4(a)和(b)所示。然后所述碳纤维束22可以在张力下拉伸以保持与铺展一致，并进一步增加束之间的铺展。例如，具有大约3/8”至大约1/2”的铺展的多个碳纤维束22在张力下沿着各种辊16拉伸以形成大约3/4”至大约1/2”的铺展。辊16的角度和半径应该被设定为保持不太高的张力，这样可以使铺展的束拉伸回到一起。
在一些示例性的实施方式中，一旦碳纤维丝线已经铺展成细的碳纤维束，所述碳纤维束22便通过后涂布处理浴24拉伸以固结成束用于切碎并改善碳纤维与理想基体材料之间的铺展和溶解度。通过改善基体材料的相容性，所述纤维将更容易润湿，从而加速制造时间。在一些示例性的实施方式中，不是通过后涂布处理浴拉伸，所述后处理而是通过任意已知的涂布施用方法施用，例如接触涂布或通过一个或多个喷涂装置38将涂层喷涂在碳束上，或使用涂布辊施用到碳束上。在一些示例性的实施方式中，不是在铺展丝线成束之后使用后涂布组合物涂布纤维丝线，而是在铺展纤维束之前施用后涂布组合物。在其他示例性的实施方式中，所述后涂布组合物在纤维束铺展之前和之后均可以施用。在一些示例性的实施方式中，碳纤维输入物含有大量预形成的细的碳纤维束22，所述后涂布组合物可以在与玻璃纤维丝线共混之前的加工期间任意一刻施用到碳束上。
在一些示例性的实施方式中，后涂布处理组合物含有至少一种成膜剂。例如，由于其高极性，后处理组合物可以含有作为成膜粘合剂和络合剂的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。在一些示例性的实施方式中，后处理组合物可以含有一种或多种硅烷，例如丙烯酰基硅烷、烷基硅烷、甲基硅烷、氨基硅烷和环氧硅烷，以助于碳纤维和基体材料相容。在其他示例性的实施方式中，后处理组合物同时含有PVP和甲基硅烷。另外，粘合剂与季铵一起运行用于防静电保护。在一些示例性的实施方式中，后处理组合物包括共成膜剂、增容剂和润滑剂中的一种或多种。
在一些示例性的实施方式中，之后将后涂布碳束通过红外炉26或其他固化机械装置拉伸，用于将后涂布处理组合物在碳束上进行干燥。
在一些示例性的实施方式中，如图5所示，随着碳纤维加工在线发生，玻璃纤维丝线12同时从玻璃纤维包中被平行拉伸以与上述的碳纤维束22共混。在一些示例性的实施方式中，随着碳纤维束22从红外炉26中拉伸，碳纤维束22与玻璃纤维12共混，形成玻璃和碳纤维的混合组装粗纱28。为了形成内聚混合粗纱，所述玻璃纤维通过加工拉伸的宽度应该与碳纤维的宽度一致。例如，如果通过加工拉伸的玻璃纤维的宽度是2mm，那么碳纤维束的宽度应该也是大约2mm，约1mm的方差。随着玻璃和碳纤维被压缩成混合组装粗纱，压缩的混合纤维束的宽度可能会更低，例如从约0.5mm至约2.0mm。
通常，切碎碳纤维使碳纤维成为细丝化，会增加碳纤维的表面积并增加润湿和流动的难度。通过将碳纤维固结成混合组装粗纱并将混合粗纱切碎成短切混合纤维30，碳纤维的流动和分散得以改善，由于玻璃充当碳的稳定剂，使其不被细丝化，从而提供一种均匀的复合材料形成物。
如图6所示，混合组装粗纱的架构可以通过改变其中玻璃和碳束的结构和/或玻璃纤维和碳纤维的重量比来调节。在一些示例性的实施方式中，碳纤维束22被排布在混合束的外部，玻璃纤维12被设置在束的中心，如图6(a)所示。在其他示例性的实施方式中，玻璃纤维被排布在混合束的外部，碳纤维被设置在束的中心，如图6(b)所示。在其他示例性的实施方式中，所述玻璃纤维和碳纤维束随机分散在混合束内，如图6(c)所示。在一些示例性的实施方式中，所述玻璃和碳纤维以大约10:90到大约90:10之间，例如大约60:40或大约75:25，或大约65:35的重量比分散在混合束中。在一些示例性的实施方式中，玻璃纤维和碳纤维的重量比大约为50：50。
一旦形成，混合组装粗纱可以被缠绕或以其他的方式放置在包装中并储存用于下游利用，例如用于长纤维热塑性压缩成型工艺中与热塑性组合物的复合。为了达到本发明的目的，术语长纤维热塑性材料是包括长于4.5mm的初始玻璃纤维输入物的材料。有许多用于长纤维热塑性材料的形成方法，最常见的是挤出“装料”或颗粒，线涂布和直接复合。本发明的一些方面涉及形成用于压缩或注塑成型工艺的挤出混合组装粗纱装料。在这个工艺中，随着热塑性聚合物引入挤出机，混合组装粗纱可以进料到挤出机的喷嘴(或侧填料)中，其中粗纱用热塑性材料浸渍。然后将热塑性浸渍混合粗纱挤出成用于压缩成型或注塑成型工艺的混合装料。
所述混合组装粗纱可选地被切碎以用于增强复合材料的形成。在一些示例性的实施方式中，混合组装粗纱可以使用切割辊18切碎，例如压在聚氨酯或硬橡胶驱动辊31上的刀片式钢丝刀，如图7所示。短切混合纤维30可以具有约10mm至约100mm的平均长度，或者约11mm至50mm的平均长度。在一些示例性的实施方式中，短切混合纤维具有约为25mm的长度。
短切混合纤维可以具有不同的长度和直径。在一些示例性的实施方式中，混合组装粗纱包括短切的玻璃和碳纤维的混合物。短切纤维的特定长度是基于在下游使用的模制制件模具的复杂性，与理想的复合材料的制件性能平衡。
如上所述，短切复合纤维30之后可以用于增强材料的形成，例如增强复合材料、预浸料、织物、无纺布等。在一些示例性的实施方式中，短切复合纤维30可以用于SMC工艺，以形成SMC材料。如图8所示，短切纤维30可以放置于聚合物树脂膜32的层上，聚合物树脂膜32位于具有非粘合表面的载体片上。含有第二层聚合物树脂膜的第二非粘合性的载体片可以定位在所述短切复合纤维30上，该定位以使得第二聚合物树脂膜32接触短切的混合纤维30并形成聚合物树脂-短切混合纤维-聚合物树脂膜32的夹层材料为方向。然后可以用诸如压实辊的辊将该夹层材料捏合，以将聚合物树脂基体和混合纤维束基本上均匀分散在所得到的SMC材料中。如本文所用，术语“基本上均匀分散”是指均匀分散或大于50％的均匀分散。在一些示例性的实施方式中，“基本上均匀分散”是指大约90％的均匀分散。之后可以将所述SMC材料储藏2-5天以使树脂变稠和熟化。在熟化期间，所述SMC材料的粘度在约1500万厘泊至约4000万厘泊的范围内增加。随着粘度的增加，第一和第二聚合物树脂膜32和短切混合纤维30形成整体的复合材料层。
所述聚合物树脂膜材料可以含有任意合适的热塑性或热固性材料，例如聚酯树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯和/或苯乙烯，以及任何理想的添加剂例如填料、颜料、UV稳定剂、催化剂、引发剂、抑制剂、脱模剂、增稠剂等。在一些示例性的实施方式中，热固性材料含有苯乙烯树脂、不饱和聚酯树脂或乙烯基酯树脂。在结构SMC的施用中，聚合物树脂膜32可以含有液体，而在A类SMC的施用中，聚合物树脂膜可以含有糊状物。
施用于碳纤维的后涂布处理组合物使碳纤维与聚合物树脂膜相容，并使碳纤维适当流动和润湿，在聚合物树脂膜32内形成玻璃和碳纤维的基本均匀的分散体。后涂布处理还赋予增加的内聚力，这使得纤维可以良好的切碎，并改善固结工艺的润湿性。碳纤维的更快润湿导致更高的在线生产率和每小时生产更大量SMC材料的能力。此外，玻璃纤维的更快润湿导致SMC材料含有更少的干玻璃纤维。SMC材料中更少的干玻璃纤维又导致复合材料部件的模制期间可能发生的缺陷数量的减少，并且相对于仅由玻璃纤维形成的复合材料部件的生产而言，制造成本的降低。
一旦SMC材料达到目标粘度，就可以将SMC材料切割并放入具有最终产品的理想形状的模具中。将模具加热至升高的温度并关闭以增加压力。这种高温和高压的结合使得SMC材料流动并填充模具。然后基体树脂经历熟化期，其中所述材料以化学增稠或凝胶的形式继续增大粘度。使用混合组装粗纱形成的示例性的模制复合材料部件可以包括外部汽车车身部件和结构化汽车车身部件。
模制复合材料部件可以含有接近10％至约80％重量的混合组装粗纱材料，短切或以其他方式并入。当形成A级复合材料时，一些示例性的实施方式将包括约15％至约40％重量的混合组装粗纱材料。当形成结构化复合材料时，一些示例性的实施方式将包括约35％至约75％重量的混合组装粗纱材料。
在复合材料中包括玻璃和碳纤维混合物使得可以生产较其他相同的仅包括玻璃纤维增强材料的复合材料在重量上减轻约15％至约50％以及增强约20％至约200％的材料。如图9所示，随着复合材料在丝线水平和层间的分散性的增加，这种改善增强。通过在整个复合材料中精细分布碳纤维，应力碳纤维的潜在断裂路径将通过附近的玻璃纤维的存在而降低。玻璃纤维的韧性有助于应力碳纤维负荷的重新分布。这将通过减少裂缝裂纹发生位点和减缓破裂发展来延缓裂缝发展。
此外，玻璃和碳混合物增强复合材料利用碳的电导率来进行额外的产品改进，例如用于喷涂工艺的接地装置、汽车部件中的电气短路以及电磁干扰“EMI”屏蔽。均匀分散的碳纤维在整个复合材料部件中通过创建具有有利于渗透的方向的自增强网络创建一个有效的法拉第笼。
在一些示例性的实施方式中，使用本文公开的混合增强材料形成的混合SMC材料具有的弹性模量在约5GPa和约40GPa之间，或从约10GPa至约30GPa，或从约15GPa至约20GPa。在其他示例性的实施方式中，混合SMC材料具有的弹性模量为约12GPa至约17GPa，或约15GPa。
在一些示例性的实施方式中，使用本文公开的混合增强材料形成的混合SMC材料具有的干的层间的剪切强度在约50MPa和约300MPa之间，或从约70MPa至约80MPa。在其他示例性的实施方式中，所得到的混合SMC材料具有的干的层间的剪切强度为约72MPa和约78MPa，或约75MPa。
在一些示例性的实施方式中，使用本文公开的混合增强材料形成的混合SMC材料具有的密度在约0.5g/cc和约3.0g/cc之间，或从约0.75g/cc至约2.5g/cc。在其他示例性的实施方式中，所得到的混合SMC材料具有的密度为约1.0g/cc至约1.5g/cc，或约1.08g/cc。
在一些示例性的实施方式中，使用本文公开的混合增强材料形成的混合LFT材料具有的拉伸强度大于150MPa。在一些示例性的实施方式中，混合LFT材料具有的拉伸强度在约160MPa和约300MPa之间。在一些示例性的实施方式中，使用本文公开的混合增强材料形成的混合LFT材料具有的拉伸模量在大于15GPa。在一些示例性的实施方式中，混合LFT材料具有的拉伸模量在约19GPa和约28GPa之间，或在约21GPa和约25GPa之间。
此外，在LFT材料中使用混合增强纤维有助于克服碳纤维对LFT工艺造成的挑战。特别地，由于碳纤维比玻璃纤维具有更好的热导性，碳纤维在注入模具之后倾向于过快冷却。通过将玻璃纤维和碳纤维共混，玻璃纤维的作用是使碳纤维绝缘，使其能够更好地流动以均匀地填充模具部件来增加产量。
通常描述总体发明构思的各个方面，可以通过参考以下所示的某些具体实施例来获得进一步的理解，这些具体实施例仅为了说明的目的而提供，除非另有说明，否则不旨在是全部包含性或限制性的。
实施例
图10示出了各种类型增强纤维的比强度相对于纤维的比模量。如图所示，传统的增强材料，特别是玻璃纤维，显示出约0.9×105m至1.5×105m的比强度和小于5×106m的比模量。另一方面，碳纤维分别在约2.4×105m和14.0×106m处显示出更高的比强度和比模量。相比之下，50/50的混合玻璃和碳纤维与40/60的混合玻璃和碳纤维均显示出比单独的玻璃纤维改善的性能。所述比强度增加至1.5-1.7×105m之间，所述比模量增加至约7.5-9.0×106m之间。因此，混合纤维增强物提供了相对于玻璃纤维增强物的改进，而没有与制造碳纤维增强物相关的所有成本和工艺问题。
图11示出了三种SMC材料的应力-应变曲线，一种仅包括玻璃纤维增强物，一种仅包括碳纤维增强物，另一种包括具有50：50的玻璃-碳比的混合组装粗纱增强物。如图11所示，当接触相同压力负荷时，玻璃纤维增强SMC显示出了最大的应变(伸长率)百分比，同时仍能够恢复至其原始形式。相反地，碳纤维展示了在相同的压力下的低应变伸长率。使用混合组装粗纱增强物形成的复合材料显示了应变百分比落入单独使用碳纤维或玻璃纤维的应变百分比之间。
图12显示出了与玻璃和碳增强的SMC材料相比，示例性混合SMC材料的拉伸强度与短切丝线宽度的函数。如图12所示，当丝线的宽度增加时，SMC材料的拉伸强度下降。对于结构化SMC材料，混合组装粗纱的宽度应该低于约1mm，例如约0.5mm或更低。对于A级SMC材料，混合组装粗纱的宽度可以小于约2mm。
表1示出了在长纤维热塑性复合材料中使用本发明构思的混合增强材料获得的性质。实施例1和2使用已经浸渍PA-6,6基体树脂的混合组装玻璃和碳共混长纤维丝束。对比例1是使用多端玻璃纤维粗纱的仅含玻璃的复合材料。对比例2是常规的多端玻璃和碳纤维的混合物，在不共混纤维的情况下通过并排运行碳和玻璃纤维包而形成。常规的混合LFT复合材料包括平行的玻璃和碳纤维，但是玻璃和碳纤维并未共混在单一的粗纱中，而是以单独的纤维维持。实施例1和2通过使用根据本发明构思的混合增强材料制备。在实施例1中的用于形成LFT复合材料的碳纤维涂布有3.5重量％的PVP后涂布组合物，在实施例2中的用于形成LFT复合材料的碳纤维涂布有3.5重量％的包含PVP和含有50％的A-1100和50％的A-174的混合物的后涂布组合物。
表1
如上所述，使用本文公开的混合增强材料形成的LFT复合材料显示出了比玻璃LFT复合材料和常规的、非共混的混合LFT复合材料都更高的性能性质。具体地，实施例1和2比对比例1和2更轻(如LFT复合材料的重量％所显示)并且具有更低的比重。另外，实施例1和2具有更高的拉伸和抗弯强度(大于160MPa)以及拉伸和抗弯模量大于在玻璃LFT复合材料或常规的、非共混的混合LFT复合材料中所观察到的(大于21GPa)。表1中列出的未切口冲击强度和切口冲击强度显示了塑料复合材料的冲击强度的对比值。切口冲击强度通过将复合材料切割出2mm的深度并将锤子落在复合材料上以使其破裂来确定。锤子在冲击时的能量和断裂后的能量差表明复合材料吸收的冲击能量。如上所述，实施例1和2示出了明显高于对比例1或2的未切口冲击强度。
虽然本文已经描述了本发明的实施方式，但是应当理解的是，在不脱离总体发明构思的精神和范围的情况下，可以进行多种修改。所有这些修改旨在被包括在本发明的范围内，本发明将仅由所附权利要求限定。

Claims (23)

1.一种混合片材成型化合物材料，包含：
至少一种含有多根增强纤维和多根碳纤维的混合增强材料，所述增强纤维与所述碳纤维共混，其中，所述碳纤维用增容剂进行涂布；以及
聚合物树脂基体。
2.根据权利要求1所述的混合片材成型化合物材料，其中，所述增强纤维包括玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维和高模量有机纤维中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的混合片状材成型化合物材料，其中，所述增强纤维由玻璃纤维组成。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的混合片材成型化合物材料，其中，所述增容剂包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、丙烯酰基硅烷、烷基硅烷、甲基硅烷、氨基硅烷和环氧硅烷中的至少一种。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的混合片材成型化合物材料，其中，所述聚合物树脂基体的配方包括聚酯树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂、环氧基树脂、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯乙烯和共聚单体中的至少一种。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的混合片材成型化合物材料，其中，所述混合片材成型化合物材料具有5GPa至40GPa的弹性模量。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的混合片材成型化合物材料，其中，所述混合片材成型化合物材料具有50MPa至300MPa的层间剪切强度。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的混合片材成型化合物材料，其中，所述混合片材成型化合物材料具有0.5g/cc至3.0g/cc的密度。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的混合片材成型化合物材料，其中，所述碳纤维为施胶碳纤维。
10.根据权利要求9所述的混合片材成型化合物材料，其中，所述碳纤维用包括环氧树脂、乙烯基酯和聚氨酯成膜剂中的至少一种的施胶组合物进行施胶。
11.根据权利要求1-10中任意一项所述的混合片材成型化合物材料，其中，所述混合增强材料含有多根具有10至100mm长度的短切混合纤维。
12.一种形成混合增强片材成型化合物材料的方法，该方法包括：
将多根增强纤维和多根碳纤维共混以形成混合组装粗纱，所述碳纤维用增容剂进行后涂布；
将所述混合组装粗纱切碎成具有10mm和100mm之间的离散长度的短切混合纤维；以及
控制所述混合增强片材成型化合物材料使所述短切混合纤维基本上均匀分散在整个所述聚合物树脂中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述控制片材成型化合物材料的步骤包括施加辊压力至所述片材成型化合物材料。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述短切混合纤维达到至少50％的均匀分散。
15.根据权利要求12-14中任意一项所述的方法，其中，所述增强纤维由玻璃纤维组成。
16.根据权利要求12-15中任意一项所述的方法，其中，所述增容剂包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、丙烯酰基硅烷、烷基硅烷、甲基硅烷、氨基硅烷和环氧硅烷中的至少一种。
17.根据权利要求12-16中任意一项所述的方法，其中，所述聚合物树脂基体的配方包括聚酯树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯乙烯和共聚单体中的至少一种。
18.根据权利要求12-17中任意一项所述的方法，其中，所述混合片材成型化合物材料具有5GPa至40GPa的弹性模量。
19.根据权利要求12-18中任意一项所述的方法，其中，所述混合片材成型化合物材料具有50MPa至300MPa的层间剪切强度。
20.根据权利要求12-19中任意一项所述的方法，其中，所述混合片材成型化合物材料具有0.5g/cc至3.0g/cc的密度。
21.根据权利要求12-20中任意一项所述的方法，其中，所述碳纤维为施胶碳纤维。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述碳纤维用包括环氧树脂、乙烯基酯和聚氨酯成膜剂中的至少一种的施胶组合物进行施胶。
23.一种根据权利要求12所述的方法形成的混合片材成型复合材料部件，其中，所述复合材料部件含有按重量计10％至80％的短切混合纤维。
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